Физика для любознательных. Том 1. Материя. Движение. Сила

Что такое научный закон? Кто творит его и кто ему подчиняется? Кем он используется — великим мыслителем или инженером, занятым практической работой? Эта глава посвящена специальному вопросу, связанному с вашими занятиями с пружинами. Речь идет о пропорциональном удлинении, которое мы рассмотрим как пример научного закона; мы покажем, как им пользуются инженеры.

Открытие Гука

В 1676 г. Роберт Гук объявил о своем открытии. Это был простой закон, точно выполнявшийся в широком диапазоне; ему была предназначена важная роль в физике и технике. Гук был в восторге от своего открытия, но своим коллегам он не очень доверял и поэтому был озабочен, как бы кто-нибудь не приписал это открытие себе.

В те времена публикация открытий в периодических научных журналах еще только приходила на смену монографиям и частным письмам, поэтому все еще было опасно с кем-нибудь поделиться своим открытием. Сразу же кто-то мог сказать: «О, мы открыли это давным-давно!» И Гук придал своему закону о растяжении пружин вид анаграммы:

ceiiinosssttuv.

Это было своеобразное патентование открытия. Он выждал два года, чтобы конкуренты могли сделать заявки о своих открытиях, связанных с пружинами, а затем дал расшифровку своей головоломки: «ut tensio, sic vis», ила «каково удлинение, такова и сила»[64].

Фиг. 99.Результаты испытания пружин.

Гук открыл, что при растяжении пружины возрастающей силой удлинение изменяется прямо пропорционально этой силе.

Как вам известно из практики, это простое соотношение выдерживается для стальных пружин с замечательной точностью в широком диапазоне удлинений. Оно справедливо также для пружин, сделанных из других материалов, возможно, лучше всего для спиралей из кварца (чистый плавленый песок). Все это не было бы ни странно, ни полезно, если бы свойство пропорциональности сохранялось только в узком диапазоне малых удлинений. Ведь почти любую кривую на коротких отрезках можно рассматривать с некоторым приближением как прямую линию. Но это соотношение справедливо и в случае, когда удлинение пружины в несколько раз превосходит ее первоначальную длину. Оно позволяет многим из нас, подобно Гуку, вкусить трепет успеха, связанный с открытием столь ясного и простого свойства природы.

С поведением материалов по закону Гука мы встречаемся во многих случаях растяжения, сжатия, скручивания, изгиба, упругой деформации любых видов. Вот несколько примеров:

а) растягивание проволоки:

УДЛИНЕНИЕ ~ РАСТЯГИВАЮЩАЯ СИЛА;

б) растяжение или сжатие стержня:

Δ ДЛИНЫ ~ СИЛА;

в) кручение стержня:

УГОЛ КРУЧЕНИЯ ~ ЗАКРУЧИВАЮЩАЯ СИЛА;

г) изгиб балки:

ПРОГИБ БАЛКИ ~ НАГРУЗКА;

д) сжатие твердого тела или жидкости:

ИЗМЕНЕНИЕ ОБЪЕМА ~ ПРИЛОЖЕННОЕ ДАВЛЕНИЕ;

вообще:

ДЕФОРМАЦИЯ ~ ДЕФОРМИРУЮЩАЯ СИЛА.

Фиг. 100.

Это общее правило называется «законом Гука» в честь сделанного Гуком открытия. На фиг. 101–103 показаны приспособления для изучения приложений закона Гука.

Фиг. 101. Растяжение проволоки.

Фиг. 102.Кручение металлического стержня.

_{Левый конец образца зажат, а правый конец соединен с большим диском, который свободно вращается; грузы подвешены на ленте, обернутой вокруг диска. Стрелка указывает величину угла кручения.}

Фиг. 103. Прогиб деревянной балки.

_{а —балка закреплена одним концом; вблизи второго нагруженного конца измеряется вертикальное отклонение; б} — балка оперта вблизи ее концов и нагружена в середине.

Научные законы

Когда мы говорим, что проволока «подчиняется» закону Гука при небольших нагрузках, мы вовсе не хотим сказать, что Гук или его закон заставляют проволоку вести себя подобным образом. Мы просто подразумеваем, что она именно так ведет себя, — так показал эксперимент. И это пример того поведения, которое описывает в общем виде закон Гука. Слово «закон» дезориентирует. Оно используется в науке для характеристики зависимости или поведения (например, материала или вещества), которое установлено и имеет, по-видимому, весьма общий характер, а также представляется нам простым и важным.